王婷婷，朱蘭燕，李秀英（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

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新型深水板樁碼頭空間三維數(shù)值模擬研究

王婷婷，朱蘭燕，李秀英
（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

選取曹妃甸港區(qū)某10萬t級碼頭為工程實例，利用國際巖土有限元軟件PLAXIS 3D對深水板樁碼頭進行空間三維有限元分析。結(jié)果表明新型板樁碼頭結(jié)構(gòu)沉降量與水平變位均較小，適用于深水條件，并通過對比分析，找出不同計算模型作用效應(yīng)的差異和特點，提出較為合理的空間數(shù)值計算模型和若干建議，以供大噸級深水板樁碼頭設(shè)計者參考。

深水板樁碼頭；結(jié)構(gòu)與土共同作用；遮簾式；分離卸荷式；T型截面板樁結(jié)構(gòu)

引　言

為了迎對我國海運業(yè)的持續(xù)發(fā)展和船舶大型化的需要，港口工程逐步向深水區(qū)和超大型化發(fā)展，無論從工程規(guī)模、技術(shù)難度及復雜程度上都是歷史空前的。與板樁碼頭并稱為三大碼頭型式的重力式碼頭和高樁碼頭都已步入深水化和大型化階段，碼頭的設(shè)計理論、計算方法等研究水平都與國際相近，但傳統(tǒng)板樁碼頭在向大型化、深水化發(fā)展的過程中較為落后，主要是當增大港池水深時板樁懸臂長度加大，主動區(qū)土壓力增加，板樁容易產(chǎn)生較大變位，拉桿拉力增大，從而導致整體穩(wěn)定性難以滿足要求［1］。為滿足碼頭整體穩(wěn)定和變位要求，往往需要增加板樁墻厚、埋深或增多拉桿數(shù)量，這在很大程度上影響了其經(jīng)濟效益，限制了它的發(fā)展。因此，如何克服傳統(tǒng)板樁碼頭的自身缺陷將板樁碼頭推向大型化、深水化，使其既可以抵抗更大彎矩，又在經(jīng)濟方面具有優(yōu)勢，成為了我國港口工程研究領(lǐng)域中急需解決的難題［2］。

近年來國內(nèi)眾多學者結(jié)合國內(nèi)工程實例經(jīng)過對板樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐和探索，推出了幾種能夠適應(yīng)于深水條件的大噸級新型板樁地連墻碼頭結(jié)構(gòu)。其中已嘗試在10萬t級以上的大型深水泊位中應(yīng)用的有：T型截面地連墻板樁碼頭、遮簾式地連墻板樁碼頭、分離卸荷式地連墻板樁碼頭等。雖然這些新型的板樁碼頭結(jié)構(gòu)在實際工程中已有所應(yīng)用，但其內(nèi)力計算及整體穩(wěn)定性驗算方法仍不夠成熟，因為它們均屬于空間結(jié)構(gòu)型式，空間感強，難以轉(zhuǎn)化成二維平面問題進行分析研究，更無法按照傳統(tǒng)方法進行設(shè)計與計算，在理論分析上仍存在許多關(guān)鍵性技術(shù)難題，給工程設(shè)計及斷面優(yōu)化帶了極大的困難［3］。

本文以曹妃甸某港區(qū)泊位工程為實例，利用PLAXIS 3D大型有限元軟件，對三種新型結(jié)構(gòu)分別進行空間三維彈塑性數(shù)值模型分析研究，采用合理可行的本構(gòu)類型以及簡化形式模擬不同結(jié)構(gòu)型式板樁碼頭的整體穩(wěn)定性，將整個碼頭當作一個綜合體系，考慮各構(gòu)件與構(gòu)件、構(gòu)件與土體之間的共同作用，通過在結(jié)構(gòu)與土之間建立界面來協(xié)調(diào)它們之間的變形以及相互傳遞作用力與反作用力；對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力相互對比驗證，確定碼頭斷面形式的合理性和優(yōu)越性；最終得到一套合理的有限元土體參數(shù)選取方式與有限元計算模型，推薦給未來同類型碼頭斷面的設(shè)計計算，為各新型碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計計算理論的建立和優(yōu)化提供依據(jù)。

1　唐山港曹妃甸港區(qū)某工程實例概況

唐山港曹妃甸港區(qū)某深水泊位，分別設(shè)計了T型截面、遮簾式、分離卸荷式等3種結(jié)構(gòu)型式的10 萬t級碼頭。碼頭面高程4.5m，港池底高程-15.5m，設(shè)計低水位為-0.5m，極端低水位-1.27m，設(shè)計波浪按照50年一遇的標準，有效波高2.6m。使用期碼頭前沿16.5m范圍內(nèi)均載30 kPa，16.5m范圍外60 kPa。

2　碼頭設(shè)計斷面及空間三維模型

出于新型大噸級地連墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)自身的空間受力特性以及與土體接觸的復雜性，須以三維空間有限元模型模擬才能真實合理的反映各個施工步中前墻、遮簾樁、卸荷承臺、錨定墻、胸墻、拉桿等與土體之間的相互作用機理。

2.1有限元模型

采用 PLAXIS 3D建模，它是由荷蘭 Delft University of Technology開發(fā)的一款功能強大的通用三維巖土有限元計算軟件，廣泛應(yīng)用于各種復雜巖土工程項目的有限元分析。從工程類型角度來看，可適用于對基坑、地基基礎(chǔ)、邊坡、隧道、碼頭、水庫壩體等工程進行安全穩(wěn)定性分析。

計算以曹妃甸港區(qū)某10萬t級碼頭為模擬對象，在同一種地質(zhì)工況下設(shè)計了3種不同的地連墻碼頭的結(jié)構(gòu)：①T型截面地連墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)；②遮簾式地連墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)；③分離卸荷式地連墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)。

1）T型截面地連墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)空間三維有限元彈塑性模型

T型截面地連墻結(jié)構(gòu)碼頭是一種形式較新穎的結(jié)構(gòu)，以全截面T型鋼筋混凝土截面作為板樁碼頭前墻，與傳統(tǒng)單片板樁碼頭結(jié)構(gòu)相比，T型截面地連墻板樁碼頭由于其自身截面型式的優(yōu)勢，可以抵抗更大的彎矩，承擔更大的側(cè)向土壓力，產(chǎn)生較小的前板樁墻位移，以適用于大型深水泊位的要求［4］。T型地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的特點也使得其能適用于軟弱層深厚的地質(zhì)環(huán)境，但也由于其對施工工藝、施工設(shè)備要求高，且計算理論復雜而在港口碼頭工程中的應(yīng)用較少。

設(shè)計斷面如圖1所示，前墻厚1.0m，T型肋2.5m×1.0m，底部埋深為-33.0m，后錨碇墻1.1m厚，入土深度-14.0m。拉桿長42m、高程1.0m。

圖1　T型地連墻板樁碼頭斷面示意

為提高計算效率，利用各個結(jié)構(gòu)之間的空間連續(xù)性和對稱性，沿前墻方向取8m作為有限元分析的對象，土體計算范圍相應(yīng)擴大到計算區(qū)域的3～5倍。為了能較實際的模擬樁-土接觸界面的性質(zhì)，對土體采用實體單元來模擬，對地連墻結(jié)構(gòu)也采用實體結(jié)構(gòu)，后錨碇墻采用板單元模擬，拉桿采用點對點錨桿單元建立，模型見圖2。

圖2　T型地連墻板樁碼頭三維有限元模型

2）遮簾式地連墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)空間三維有限元彈塑性模型

遮簾式地連墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)板樁碼頭結(jié)構(gòu)前墻后方增加了一排截面為長方形的鋼筋混凝土灌注樁，這排遮簾樁設(shè)置于前墻陸側(cè)，并與前墻保持一定的距離［5］；遮簾樁的底高程低于前墻，其上部與前墻、錨碇墻是通過鋼拉桿連接成為一體，即前墻和遮簾樁之間由小拉桿連接，遮簾樁和錨碇墻之間由大拉桿連接；利用遮簾樁自身剛度以及樁間土拱效應(yīng)的發(fā)揮，承受部分后方土體的壓力，從而減小作用在前墻的側(cè)向土壓力，以達到深水泊位的要求［6］。

設(shè)計斷面如圖3所示，前墻厚1.1m，底部埋深為-31.0m，遮簾樁為2m×1m的方樁，遮簾樁中心距2.4m，埋深為-33m，后錨碇墻1.1m厚，入土深度-14.0m。拉桿長42m、高程1.0m。

圖3　遮簾式地連墻板樁碼頭斷面示意

利用各個結(jié)構(gòu)之間的空間連續(xù)性和對稱性，沿前墻方向取4.8m作為有限元分析的對象，土體計算范圍相應(yīng)擴大到計算區(qū)域的3～5倍，前墻和錨碇墻采用板單元模擬；遮簾樁采用兩種方案，其一采用實體單元模擬，可以模擬出土拱效應(yīng)，得到較真實位移，其二采用Embedded樁單元模擬，Embedded樁單元是線單元模型，自帶界面單元自動模擬樁與土之間的側(cè)摩阻，實體樁單元只能得到樁的應(yīng)力與位移，但Embedded樁單元可以得到遮簾樁的彎矩、軸力和剪力；拉桿采用點對點錨桿單元模擬，模型見圖4、圖5。

圖4　遮簾樁采用實體樁碼頭三維有限元模型

圖5　遮簾樁為Embedded樁碼頭三維有限元模型

3）分離卸荷式地連墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)空間三維有限元彈塑性模型

分離卸荷式地連墻板樁碼頭是國內(nèi)繼遮簾式地連墻板樁碼頭之后推出的另一種新型板樁碼頭結(jié)構(gòu)。其工作原理有點類似于國外的帶斜拉樁的卸荷平臺，但又結(jié)合了中國國情，在傳統(tǒng)板樁墻后設(shè)置混凝土卸荷平臺，卸荷平臺下全部采用混凝土灌注直樁作為支撐，由卸荷板及樁基承受上部土重及荷載，并將土壓力與荷載通過樁基傳遞至土層深處，同時卸荷平臺下灌注樁又對后方側(cè)土壓力起到了遮簾作用，從而減小作用于前墻的側(cè)向土壓力和墻體水平變形，更適應(yīng)深水條件［7］。

設(shè)計斷面如圖6所示，前墻厚1.1m，底部埋深為-31.0m，卸荷承臺從前到后共計3個樁徑1.2m的灌注樁，沿前墻方向排架間距4.4m，后錨碇墻1.1m厚，入土深度-14.0m。拉桿長42m、高程1.0m。

利用各個結(jié)構(gòu)之間的空間連續(xù)性和對稱性，沿前墻方向取4.4m作為有限元分析的對象。和遮簾式板樁碼頭模型類似，前墻和錨碇墻采用板單元模擬；卸荷平臺采用實體單元模擬，灌注樁采用Embedded樁單元模擬；拉桿采用點對點錨桿單元模擬，模型見圖7。

圖6　分離卸荷式地連墻板樁碼頭斷面示意

圖7　分離卸荷式地連墻板樁碼頭三維有限元模型

2.2界面單元及土體本構(gòu)模型

為了能較實際的模擬結(jié)構(gòu)—土接觸界面的性質(zhì)，所有三維模型對土體均采用實體單元來模擬，對地連墻板樁結(jié)構(gòu)采用板單元來模擬，賦予線彈性屬性，并在結(jié)構(gòu)與土之間加入界面單元模擬接觸的實際性質(zhì)。PLAXIS 3D中界面單元采用Goodman接觸面單元考慮接觸面變形的非線性特征，假定接觸面上的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力與法向相對位移和切向相對位移之間無交叉影響，模擬不同材料之間的相互滑移、脫離等力學現(xiàn)象。

其接觸面的強度表達式如下：

一般來說，真實土—結(jié)構(gòu)相互作用中，界面要比周圍土體弱，柔性也較大，因此強度折減系數(shù)應(yīng)當小于1。對于結(jié)構(gòu)與土之間的界面，按照一般的工程經(jīng)驗，取同深度土層材料強度的2/3作為接觸面單元的強度。

三維有限元模型中土體全部采用彈塑性的Hardening soil model，其彈性部分可以分別考慮土體的加載和卸載剛度及土體模量隨應(yīng)力增加而增大的特性（見圖 8），而塑性部分則采用了非相關(guān)聯(lián)流動法則和各向同性的硬化準則，可較好地描述曲線形式的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和土體的剪脹性。因此在碼頭港池有大范圍開挖的情況下可以考慮卸載施工的應(yīng)力路徑對土體的影響，結(jié)果更符合實際施工情況。

圖8　雙曲型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2.3模型采用的土體參數(shù)

為了便于建模，計算模型中將實際施工情況進行了合理簡化，將計算區(qū)域內(nèi)的土層厚度進行了適當平均處理、將較薄且參數(shù)相近土層合并到一起。

2.4模型邊界條件

模型的位移邊界條件：四個側(cè)面約束其法向位移，底面約束其三個方向的位移。

排水邊界條件：底面及四個側(cè)面均為不排水邊界，頂面為排水邊界。

表1　模型中混凝土及拉桿材料參數(shù)

2.5模型荷載條件與分步施工步驟

模擬分析地連墻碼頭施工工序，并考慮了使用期最危險工況，即極端低水位-1.27m，考慮2.25m的剩余水頭和系纜力、波吸力和碼頭面均載。具體施工過程如下：

1）原泥面4.5m處進行初始地應(yīng)力平衡；

2）地連墻（遮簾樁或卸荷平臺）、軌道梁樁以及后錨碇墻施工；

3）開挖至-0.5m高程，進行拉桿施工，現(xiàn)澆胸墻，樁帽；

4）墻后回填至頂高程4.5m；

5）墻前港池開挖到設(shè)計高程-16.0m（考慮0.5m超挖）；

6）施加波吸力、碼頭均布荷載以及剩余水頭。

3　空間三維有限元模擬的主要計算結(jié)果

表2～表4分別列出空間三維有限元計算出的內(nèi)力結(jié)果。圖9～圖11分別為三種碼頭使用期發(fā)生的整體水平位移云圖，圖 12可清晰的看出遮簾樁之間的土拱效應(yīng)。

表2　T型地連墻碼頭內(nèi)力計算結(jié)果

表3　遮簾式地連墻碼頭內(nèi)力計算結(jié)果

表4　卸荷式地連墻碼頭內(nèi)力計算結(jié)果

圖9　T型地連墻碼頭使用期水平位移

圖10　遮簾式地連墻碼頭使用期水平位移

圖11　分離卸荷式地連墻碼頭使用期水平位移

圖12　遮簾樁之間的土拱效應(yīng)

從計算結(jié)果分析，采用PLAXIS 3D巖土有限元軟件對3種大噸級地連墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)進行空間三維模擬，前板樁墻、后錨碇墻均采用板單元，板與土體之間設(shè)接觸面，拉桿采用點對點錨桿單元，遮簾樁與卸荷承臺下灌注樁采用 Embedded樁單元，土體采用Hardening soil彈塑性本構(gòu)模型模擬，可以較好的模擬計算出新型大噸級深水泊位地連墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)的內(nèi)力；從原始地應(yīng)力平衡開始，模擬了整個碼頭的施工順序與步驟，得到每個施工步下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移，可以用于安排施工步的評估與檢測；使用期最危險工況計算結(jié)果表明：3種新型板樁結(jié)構(gòu)截面形式均適用于大噸級深水碼頭泊位。

在遮簾式地連墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)PLAXIS 3D整體空間三維計算中，一是對各構(gòu)件進行了全實體建模分析，得到較為真實合理的前墻位移與應(yīng)力分布；二是在整體模型中利用 PLAXIS 3D自帶Embedded樁單元對實體遮簾樁進行簡化計算，可以方便得到遮簾樁的彎矩和軸力，但如果用線性的Embedded樁單元來處理遮簾樁的話，得不到實體遮簾樁的“土拱效應(yīng)”，會導致前墻位移和內(nèi)力都增大一些。

不同于過去傳統(tǒng)算法中不能考慮卸荷承臺的擋土作用，只能通過上部土壓力擴散減去卸荷承臺部分的土壓力然后折算最終加載在前板樁墻上的主動土壓力，在分離卸荷式地連墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)的PLAXIS 3D整體空間三維計算中，可以真實模擬出實體卸荷承臺的卸荷作用，卸荷平臺群樁基礎(chǔ)的存在可降低前墻正彎矩最大值、負彎矩最大值，且使嵌固點位置上移，使得前墻受力更為合理；通過分析比較，驗證了卸荷平臺群樁基礎(chǔ)在抑制前墻位移和減小拉桿平均拉力方面同樣發(fā)揮著積極作用。同時，分離卸荷式板樁碼頭對于地基承載力和地基土性質(zhì)的要求不如遮簾式和T型截面式高，前板樁墻的位移和內(nèi)力對碼頭區(qū)地質(zhì)參數(shù)的敏感度不如另外兩種地連墻板樁碼頭大，很適用于碼頭后方荷載較大的大噸級深水碼頭泊位。

4　工程造價分析

根據(jù)有限元主要構(gòu)件的內(nèi)力計算結(jié)果分別對T型地連墻結(jié)構(gòu)、遮簾式地連墻結(jié)構(gòu)和分離卸荷式地連墻結(jié)構(gòu)進行配筋設(shè)計，分別統(tǒng)計三種方案中的混凝土和鋼筋量，并對各結(jié)構(gòu)方案一個結(jié)構(gòu)段 22m范圍內(nèi)的混凝土、鋼筋、拉桿進行造價對比，而各方案共有的構(gòu)件，如胸墻、錨碇墻導梁、軌道梁等的細微差別暫未考慮進行造價對比分析，結(jié)果表明，3種碼頭造價基本接近，其中遮簾式結(jié)構(gòu)造價稍貴，而T型截面和分離卸荷式地連墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)造價基本相同。

5　結(jié) 論

有限元建模分析結(jié)果表明，T型截面、遮簾式、分離卸荷式板樁結(jié)構(gòu)均能適用于建造深水大型化的碼頭，無論從整體穩(wěn)定性還是結(jié)構(gòu)內(nèi)力上均展現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。

分離卸荷式板樁碼頭對于地基承載力和地基土性質(zhì)的要求不如遮簾式和T型截面式高，前板樁墻的位移和內(nèi)力對碼頭區(qū)地質(zhì)參數(shù)的敏感度不如另外兩種地連墻板樁碼頭大，很適用于碼頭后方荷載較大的大噸級深水碼頭泊位。T型截面地連墻碼頭對地基要求稍高，成槽難度較大，但施工工序較簡單，也是一種相當有發(fā)展前景的板樁碼頭結(jié)構(gòu)。

T型截面、遮簾式、分離卸荷式三類新型地連墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)的沉降量均很小，因碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)置了T型肋板、遮簾樁或卸荷承臺，結(jié)構(gòu)充分利用了土體自身抗剪力學特性，導致上部土體與使用期荷載作用于前墻上的土壓力顯著減小，下部土體作用于前墻土壓力增大，從而極大改善了前墻承受由于前沿港池開挖深度增加而迅速增大的土壓力，使得結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定；同時，T型肋板、遮簾樁與卸荷承臺下樁基承擔了較大的彎矩，增強了抗傾覆的能力，使得這三類新型地連墻板樁碼頭得以深水化。

基于PLAXIS 3D的空間三維有限元數(shù)值模擬分析解決了傳統(tǒng)板樁算法在新型板樁結(jié)構(gòu)中無法合理運用的弊端，綜合考慮了前板樁墻和后錨定墻與T型肋板、遮簾樁、卸荷承臺及其下灌注樁基與土體之間的相互作用問題，較真實的模擬出各構(gòu)件的內(nèi)力與位移，為深水大噸級地連墻板樁碼頭工程建設(shè)設(shè)計排除了一個技術(shù)難題，為以后的深水地連墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有力的支持，并為其他類型的10萬t級及其以上的板樁碼頭設(shè)計研究提供了借鑒。在解決了設(shè)計與計算理論后，地連墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)在未來的大型深水泊位中的應(yīng)用前景會相當廣闊。

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Spatial 3D Numerical Simulation Researches on the New Type of Deep Water Sheet-pile Wharf

Wang Tingting，Zhu Lanyan，Li Xiuying
（CCCC Fourth Harbor Design Institute Engineering Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510230，China）

In this paper，a 100 000 DWT quay wallin Caofeidian Port is taken as an example.PLAXIS 3D which is an international geotechnical finite element software is used to carry out the spatial three-dimensional research.The results indicate that the settlement and horizontal displacement of the new type of sheet-pile wharf are both smaller that suit the deep water condition.Through contrastive analysis，difference and characteristics of action effects in different calculation models are found.Reasonable spatial numerical calculation model and several suggestions are proposed as a reference for deep water sheet-pile wharf designing.

deep water sheet-pile wharf； interaction of structure and soil； covered type； separated unloading type；T-section sheet-pile structure

U656.1+12

A

1004-9592（2016）04-0038-06

10.16403/j.cnki.ggjs20160410

2015-07-04

王婷婷（1981-），女，博士，高級工程師，主要從事港口工程結(jié)構(gòu)及巖土工程設(shè)計研究工作。